科學(xué)家首次捕捉到宇宙第一縷曙光 或改寫暗物質(zhì)認(rèn)知

天文學(xué)家探測(cè)到了宇宙再電離階段氫原子發(fā)出的21cm射電信號(hào)，這意味著天文學(xué)對(duì)宇宙“黑暗時(shí)代”的研究，翻開(kāi)了一個(gè)新的篇章。

宇宙中第一顆恒星的藝術(shù)圖。繪圖：N.R. Fuller，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)

在最新的《自然》期刊中，美國(guó)科學(xué)家成功捕捉到了再電離時(shí)期的21厘米中性氫原子信號(hào)，探測(cè)到了宇宙的“第一縷曙光”。這意味著天文學(xué)對(duì)宇宙“黑暗時(shí)代”的研究，翻開(kāi)了一個(gè)新的篇章。而他們發(fā)現(xiàn)信號(hào)中的異常之處，還可能有助于科學(xué)家分析暗物質(zhì)的性質(zhì)。

現(xiàn)在，盡管還有些關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)有答案，但如果說(shuō)我們對(duì)宇宙已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)牧私?，也不算夸大其辭。我們知道宇宙源于大爆炸，知道如今宇宙中的物質(zhì)結(jié)成了星系和星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)，甚至也知道最初均勻分布的物質(zhì)是怎樣演化成這樣的結(jié)構(gòu)的，還知道在這背后有暗物質(zhì)和暗能量在發(fā)揮作用（遺憾的是，這兩者到底是什么仍是未解之謎）。

這樣的光輝成就，在很大程度上得益于天文觀測(cè)手段的進(jìn)步。越來(lái)越強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡讓天文學(xué)家在空間上觀察到了更加遙遠(yuǎn)的天體，在時(shí)間上追溯回更深遠(yuǎn)的過(guò)去。例如，哈勃望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測(cè)距離我們320億光年的星系，它存在于約134億年前，宇宙誕生4億年后。此外，通過(guò)源于大爆炸后僅38萬(wàn)年的微波背景輻射，天文學(xué)家甚至還可以窺探到更早期的宇宙。不過(guò)，在最遙遠(yuǎn)、最古老的星系，與微波背景輻射之間，存在一個(gè)天文觀測(cè)一度無(wú)法觸及的空白區(qū)域。而這個(gè)空白階段，又是天文學(xué)家非常感興趣，對(duì)了解宇宙演化全過(guò)程非常關(guān)鍵的階段。

宇宙演化的時(shí)間線。該研究確認(rèn)，最早的恒星誕生時(shí)間不晚于大爆炸后1.8億年。繪圖：N.R. Fuller，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)

宇宙的黑暗時(shí)代

在大爆炸中誕生的宇宙溫度曾非常高，光子不斷與電子碰撞，使其無(wú)法和原子核穩(wěn)定結(jié)合，此時(shí)的宇宙是一團(tuán)原子核、電子和光子混雜在一起的濃湯，是完全不透明的。而宇宙隨著膨脹而不斷冷卻，當(dāng)溫度降低到原子核可以與電子結(jié)合為穩(wěn)定的原子，光子中解放出來(lái)，成為了微波背景輻射，宇宙也變得透明了。在這之后，宇宙中只有氫原子（還有一些氦原子）組成的氣體，溫度也已經(jīng)冷卻得非常低。在整個(gè)宇宙中，一絲可見(jiàn)光都沒(méi)有，因此天文學(xué)家把這個(gè)階段稱為“宇宙的黑暗時(shí)代”。

根據(jù)目前的宇宙演化理論，之后又過(guò)了數(shù)億年，在引力的作用下，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)聚集起來(lái)，形成了星系和恒星，第一代恒星發(fā)出的輻射讓黑暗的宇宙迎來(lái)了黎明，同時(shí)輻射中的紫外線也逐漸讓周圍氣體中的氫原子重新電離，因此天文學(xué)家也把這個(gè)階段稱作“再電離”。

當(dāng)然，這樣的過(guò)程是理論的推測(cè)，究竟最初的星系和恒星是如何形成的，再電離過(guò)程由是如何展開(kāi)的，天文學(xué)家渴望能直接通過(guò)觀測(cè)得到線索。但要通過(guò)什么手段才能看到那個(gè)時(shí)期呢，畢竟原初的氫原子氣體是“黑暗”的，而在那樣遙遠(yuǎn)的距離，單個(gè)第一代恒星發(fā)出的光也顯得微不足道。

21厘米氫線

幸運(yùn)的是，即使是非常冷的氫原子，也能發(fā)出一種特殊的輻射。氫原子是由一個(gè)氫原子核（質(zhì)子）和一個(gè)電子組成的，原子核和電子的自旋方向可能相同，也可能相反，而在這兩種狀況下，原子的能量存在微小的差異。如果電子本來(lái)與原子核自旋方向相同，在自旋翻轉(zhuǎn)、變得與原子核的方向相反時(shí)，原子的能量降低，就會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)為21厘米的輻射。反之，低能狀態(tài)的氫原子也可以吸收21厘米波長(zhǎng)的光子，翻轉(zhuǎn)電子的自旋方向。

在實(shí)驗(yàn)室中，這種21厘米輻射是很難觀察到的，因?yàn)殡娮幼孕D(zhuǎn)的概率實(shí)在太低了，即使本來(lái)處于能量較高的狀態(tài)，它也很不情愿翻轉(zhuǎn)到低能狀態(tài)，一個(gè)電子平均每1000萬(wàn)年才會(huì)這樣翻轉(zhuǎn)一次。不過(guò)，宇宙中的氫原子實(shí)在太多了，即使概率極低，單位時(shí)間發(fā)生電子自旋翻轉(zhuǎn)的氫原子絕對(duì)數(shù)量也是可觀的，完全能產(chǎn)生可供觀測(cè)到的輻射。

與電子在不同能級(jí)之間躍遷所需要的能量相比，自旋翻轉(zhuǎn)需要的能量要小得多，即使在恒星誕生之前，微波背景輻射的光子以及原子之間的相互碰撞都足以讓某些電子自旋翻轉(zhuǎn)。電子與氫核自旋同向和反向，這兩種原子的數(shù)量比例反映了中性氫整體上與電子自旋有關(guān)的能量狀態(tài)。就像原子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度決定了內(nèi)能，定義了溫度一樣，這個(gè)比例也可以定義一個(gè)溫度——自旋溫度。

這樣一來(lái)，在宇宙的黑暗時(shí)代，有三種標(biāo)志性的溫度，一個(gè)是氫原子的自旋溫度，另一個(gè)就是一般意義上的溫度——由原子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)決定的動(dòng)力學(xué)溫度，還有一個(gè)是體現(xiàn)了微波背景輻射光子能量的輻射溫度。這三種溫度的關(guān)系隨著宇宙演化不斷變化，也決定了中性氫究竟是自己發(fā)出21厘米輻射，還是吸收微波背景輻射中的21厘米成分。

最初，在宇宙剛進(jìn)入黑暗時(shí)代的時(shí)候，微波背景輻射光子不斷與原子碰撞交換能量，三種溫度是保持相等的。隨著宇宙膨脹，光子越來(lái)越稀疏，跟原子的能量交換變得越來(lái)越低效，動(dòng)力學(xué)溫度和輻射溫度就脫節(jié)了，兩者都隨著膨脹降低，但動(dòng)力學(xué)溫度下降得更快。而這時(shí)原子間的碰撞對(duì)自旋狀態(tài)影響更大，自旋溫度和動(dòng)力學(xué)溫度保持一致，低于輻射溫度，氫原子會(huì)吸收21厘米輻射。

但隨著宇宙膨脹，氫原子本身也變得過(guò)于稀疏，很難通過(guò)碰撞讓電子自旋翻轉(zhuǎn)，微波背景輻射光子決定了自旋狀態(tài)，自旋溫度和動(dòng)力學(xué)溫度脫節(jié)，開(kāi)始跟輻射溫度保持一致。此時(shí)氫原子整體上既不吸收21厘米輻射，也不會(huì)發(fā)出21厘米輻射。

隨著第一代恒星形成，情況又發(fā)生了變化，恒星發(fā)出的紫外輻射讓氫原子的動(dòng)力學(xué)溫度上升，同時(shí)也會(huì)讓它們短暫電離后又重新和電子結(jié)合。電子在來(lái)去之間改變了自己的自旋方向，決定兩種原子比例的，又由微波背景輻射變回了動(dòng)力學(xué)溫度。此時(shí)，自旋溫度等于動(dòng)力學(xué)溫度，仍低于輻射溫度，所以氫原子又開(kāi)始吸收21厘米輻射。之后，自旋溫度隨著動(dòng)力學(xué)溫度不斷上升，終于超過(guò)了輻射溫度，氫原子就重新開(kāi)始發(fā)出21厘米輻射。最終，氫原子被恒星的紫外線完全電離，21厘米信號(hào)也就徹底消失了。

新的發(fā)現(xiàn)與意外結(jié)論

隨著宇宙的膨脹，曾經(jīng)波長(zhǎng)為21厘米的信號(hào)，抵達(dá)我們的時(shí)候已經(jīng)發(fā)生紅移，波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)了很多。例如，黑暗時(shí)代剛開(kāi)始時(shí)發(fā)出21厘米輻射，波長(zhǎng)已經(jīng)變成了210米，而在黑暗時(shí)代結(jié)束時(shí)發(fā)出的輻射，波長(zhǎng)則變成了1~2米。這也就是說(shuō)，信號(hào)中不同波長(zhǎng)的成分源于早期宇宙的不同時(shí)期，攜帶了反映當(dāng)時(shí)宇宙成分和結(jié)構(gòu)的信息。

因此，通過(guò)觀測(cè)21厘米輻射信號(hào)，天文學(xué)家可以了解寒冷黑暗的“黑暗時(shí)代”，以及之后的宇宙再電離過(guò)程。如果能分辨天空不同位置的信號(hào)強(qiáng)度，還可以更進(jìn)一步地研究電離區(qū)域是如何演化擴(kuò)大的。天文學(xué)家也的確一直在嘗試觀測(cè)再電離時(shí)期的21厘米輻射，追尋“宇宙的第一縷曙光”。最近，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的Judd Bowman和麻省理工的Alan Rogers等人合作開(kāi)展的EDGES項(xiàng)目終于開(kāi)花結(jié)果，他們利用設(shè)置在澳大利亞默奇森射電天文臺(tái)的射電天線，首次探測(cè)到了宇宙早期的21厘米氫原子輻射信號(hào)，相關(guān)論文發(fā)表在最新一期的《自然》（Nature）。

這個(gè)位于澳大利亞西部的默奇森射電天文臺(tái)的射電天線首次探測(cè)到宇宙早期的21厘米氫原子輻射信號(hào)。

在此項(xiàng)研究中，EDGES團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是探測(cè)波長(zhǎng)在1到6米之間的全天微波背景輻射譜。他們的設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，就是一臺(tái)餐桌大小的射電天線。盡管沒(méi)能力分辨信號(hào)在空間上來(lái)自天空中的哪個(gè)位置，但這個(gè)天線非常適合捕捉微弱的低頻信號(hào)。

研究者發(fā)現(xiàn)，輻射譜在波長(zhǎng)大約4.3米到3.5米之間出現(xiàn)了一個(gè)非常明顯的“山谷”，這正好對(duì)應(yīng)于紅移從20到15的21厘米輻射。這樣的紅移對(duì)應(yīng)于大爆炸后1.8億年到2.7億年間，“山谷”意味著此時(shí)第一代恒星剛出現(xiàn)，發(fā)出的紫外線導(dǎo)致氫原子吸收微波背景輻射中的21cm成分。

第一代恒星出現(xiàn)時(shí)，氫原子吸收21厘米輻射，形成圖中的“山谷”。來(lái)源：Bowman et al. 2018, Nature

輻射譜上“山谷”的位置，也就是吸收信號(hào)出現(xiàn)和消失的時(shí)間，與理論模型的預(yù)言符合得很好。不過(guò)，“山谷”的谷底非常平，這有些出人意料，這意味著早期的恒星迅速就產(chǎn)生了足夠的輻射，可能對(duì)第一代恒星的形成理論提供一些線索。而更讓人意外的則是“山谷”非常深，信號(hào)的強(qiáng)度要比理論估算的高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。決定了吸收信號(hào)強(qiáng)度的是原初氣體的溫度與輻射溫度之間的差異，研究者認(rèn)為，這表明原初氣體的溫度要比科學(xué)家過(guò)去認(rèn)為的還要低，而正常的氣體冷卻過(guò)程，是無(wú)法達(dá)到這么低的溫度的。他們提出，可能是暗物質(zhì)與氫原子之間，除了萬(wàn)有引力還存在其他相互作用。這種相互作用帶走了更多的能量，幫助氫原子氣體迅速冷卻。

在發(fā)表于同一期《自然》的另一篇論文中，以色列特拉維夫大學(xué)的天體物理學(xué)家Rennan Barkana估算，要讓原初氣體冷卻到這樣低的溫度，暗物質(zhì)粒子必須低于5倍氫原子質(zhì)量。而目前最受物理學(xué)家青睞的暗物質(zhì)候選者是弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP），質(zhì)量要比這大得多，是氫原子的幾百倍。而針對(duì)此類粒子的搜索實(shí)驗(yàn)至今一無(wú)所獲，一些物理學(xué)家已經(jīng)把目光投向了其他候選者，這次的發(fā)現(xiàn)可能給他們更充分的理由。Barkana認(rèn)為，這一結(jié)果表明21cm信號(hào)也能幫助物理學(xué)家研究暗物質(zhì)的性質(zhì)。

科學(xué)家希望進(jìn)一步的觀測(cè)，以及其他探測(cè)宇宙早期21cm信號(hào)的研究，能夠確認(rèn)他們的發(fā)現(xiàn)，并幫助我們更好地了解宇宙的黑暗時(shí)代。